如鱼得水！超快激光在锂电和太阳能电池领域的应用( 二 ) _超快激光

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图2 飞秒激光加工电极表面三维结构图
二超快激光在太阳能电池方面的应用
太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。目前，太阳能电池依据所用材料的不同，太阳能电池还可分为硅太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池等。而超快激光凭借其独有的优势，在众多太阳能电池中都可以发挥其特有的功能。
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硅太阳能电池
硅材料具有较强的耐高温能力、价格低廉以及硅储备资源丰富等特性，被广泛应用于现代半导体和大规模集成电路基底中，这也使得硅太阳能电池成为目前发展最迅速和最成熟的太阳能电池，且在实际应用中占领主要地位。
然而硅材料自身也存在一定的缺陷：单晶硅的禁带宽度为1.07 eV（对应波长1100 nm），这就导致光子能量小于1.07 eV（波长大于1100 nm）的光会直接透过硅材料，而不能被直接吸收；硅材料时间隙半导体材料导致硅太阳能电池的光电转换效率基本小于1/3 。因此为了提高硅太阳能电池的光电转换效率，就要进一步提高硅材料对光的吸收。
为了克服硅材料自身的缺陷，众多科学家们在硅材料基底上做了广泛的研究。1999年，哈佛大学的Eric Mazur教授及其研究团队发现在一个充满SF6气体的真空环境中，用聚焦的飞秒激光光束对硅晶片表面进行扫描后发现硅材料表面变为了漆黑色，且在电子扫描显微镜下观察发现，在硅材料表面覆盖了一层微米级别的尖峰结构，如图3所示，该材料即为“黑硅” 。

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图3 飞秒激光制备“黑硅”材料样品图与尖峰结构形貌图
2001年，哈佛大学的C.Wu，C.H.Crouch和E.Mazur等人发现“黑硅”在0.25~1.1 μm波长范围内，样品对入射光的吸收可达95%；在1.1~2.5 μm波长范围内，吸收率可达90%，这是在发现黑硅材料基础上，其应用上的重大突破。
2002年，复旦大学的赵明等人在SF6气体中用飞秒激光照射硅的表面，在表面形成了微米级的尖峰突起结构，并发现在波长为250~2500 nm的光波有大于90%的吸收。
2010年，SiOnyx公司将超快激光制备的超薄黑硅用于太阳能电池，这种电池比目前使用的晶片薄20%，提高了红外性能，使得转换效率较普通商用太阳能电池提升了0.3%，且降低了硅基太阳能电池的成本。
2013年，上海超精密光学制造中心的Xiao Dong等人报道了在NF3气体中制备出的黑硅经退火后对中红外光仍具备较高的吸收效率。
【如鱼得水！超快激光在锂电和太阳能电池领域的应用】02
薄膜太阳能电池
薄膜太阳能电池属于叠层器件，其结构如图4所示。相对于传统电子器件，叠层器件具有功耗低、体积小、易集成、携带方便等突出优点。然而，其电极的制备工艺较为复杂，若使用传统的纳秒激光制备，其加工过程中存在两方面的不足：
１）熔融物和挂渣不易去除；
２）在对上层材料的去除过程中对下层材料有热损伤。

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图4 （a）薄膜太阳能电池叠层结构；（b）激光加工工序图
超快激光微纳制造可以达到调控电子状态实现“冷加工”的目的，具有阈值效应明显、热影响区极小、可控性高等优势，可以将其应用于薄膜太阳能电池电极加工工序中以达到选择性去除的作用。具体的加工工序如图4(b)所示。
2010年，立陶宛物理科学技术中心应用研究实验室的Gecys等利用355 nm的皮秒激光器，通过控制加工频率以及单脉冲能量对薄膜太阳能电池ITO/CIGS/Mo/PI构型进行P1工序加工，实验结果表明在选择性去除铟锡氧化物（ITO）和CIGS时，皮秒激光加工不会产生明显的损伤痕迹，且可以应用于P3工序加工中。
2012年，德国慕尼黑的Heise等人使用High-Q公司生产的皮秒激光器对300 mm×300 mm大面积的太阳能薄膜电池依次进行P1、P2、P3工序的加工，最终实验证明样品的电池效率达到了14.7%，其结果如图5所示。